Stralingskoeling bestrijdt klimaatverandering door de ruimte te gebruiken als warmte‑afvoer

Door uitbreiding en verdichting van steden neemt het oppervlak aan beton en bestrating toe. Gebouwen en wegen nemen warmte op, waardoor de omgeving opwarmt en de behoefte aan koeling groeit. De bijbehorende uitstoot hangt onder meer af van de gebruikte energie. Daarom ontwikkelde een onderzoeksteam van de University of Maryland een oplossing: een in 2023 gepresenteerde microporeuze coating die “koelglas” wordt genoemd en stralingskoeling benut. Het gaat om een glashoudende coating, niet simpelweg om transparant vensterglas.

De doorbraak in stralingskoeling

Klimaatbeleid draait ook om efficiënter gebruik van de elektriciteit die we opwekken. Koelglas combineert twee mechanismen: een hoog albedo, waardoor veel zonnestraling wordt teruggekaatst, en het uitzenden van warmte als infraroodstraling naar de ruimte via golflengten waarvoor de atmosfeer relatief doorzichtig is. Teruggekaatst zonlicht en uitgezonden warmtestraling zijn verschillende processen. De kosmische achtergrond van ongeveer −270 °C vormt een koude referentie; een vacuüm voert geen warmte af door convectie.

In hun onderzoeksartikel beschrijven de auteurs het materiaal als volgt:

“Een ongeordend fotonisch composiet met een microporeus glasraamwerk dat selectief langgolvige infraroodstraling uitzendt en relatief veel zonlicht terugkaatst, plus aluminiumoxidedeeltjes die zonlicht sterk verstrooien en verdichting van de poreuze structuur tijdens de productie voorkomen.”

De coating gaf onder verschillende omstandigheden goede resultaten. De productiewijze zou grootschalige toepassing mogelijk kunnen maken, maar in 2023 werkten de onderzoekers nog aan verdere tests en praktische toepassingen.

Bron: www.cera.cool

Over de prestaties vermeldt de samenvatting van het onderzoek:

“Deze microporeuze glascoating maakt een temperatuurdaling van ongeveer 3,5 °C en 4 °C mogelijk, respectievelijk rond het middaguur en ’s nachts, zelfs in omstandigheden met een hoge luchtvochtigheid tot 80%.”

De gedetailleerde metingen verduidelijken de omstandigheden: rond het middaguur was de coating ongeveer 3,5 °C kouder dan de omgevingslucht van 30 °C, bij 30% relatieve luchtvochtigheid. ’s Nachts lag de temperatuur ongeveer 4 °C onder de omgevingslucht van 17,5 °C, bij maximaal 80% luchtvochtigheid. Simulaties van daken van middelhoge appartementsgebouwen wezen op ongeveer 10% mogelijke vermindering van jaarlijkse CO₂-uitstoot door koeling. Dat was geen overal gemeten verlaging van alle gebouwemissies.

Stralingskoeling is niet nieuw. Dit onderzoek is vooral interessant door de combinatie van prestaties, bestendigheid tegen buitenomstandigheden en de mogelijkheid van productie op grotere schaal.

Wat is een koellichaam?

Een koellichaam neemt warmte van een ander object op en geeft die vervolgens aan de omgeving af. In elektronica en mechanische systemen voorkomt het oververhitting. Bij contact met een warme component vindt vaak warmtegeleiding plaats; overdracht aan de omgeving kan via convectie en straling verlopen. Bij het hier besproken koelglas wordt energie als infraroodstraling naar de hemel en de ruimte afgevoerd.

De belangrijkste processen en kenmerken van koellichamen zijn:

Warmtegeleiding: warmte verplaatst zich door een materiaal. Een warme component, zoals een processor, draagt warmte over aan het koellichaam waarmee hij contact maakt.

Materiaal: aluminium en koper worden vaak gebruikt omdat ze warmte goed geleiden. Ze voeren warmte van de component weg en verspreiden die over een groter oppervlak.

Ontwerp en oppervlak: vinnen en andere structuren vergroten het uitwisselingsoppervlak. Daardoor kan meer lucht met het koellichaam in contact komen, wat de warmteafvoer bevordert.

Convectie: lucht of vloeistof die over het oppervlak stroomt, neemt warmte mee. Passieve koeling gebruikt onder meer natuurlijke luchtcirculatie; ventilatoren en pompen kunnen de overdracht in actieve systemen versterken.

Straling: een koellichaam zendt ook energie als infraroodstraling uit, wat eveneens aan koeling bijdraagt.

De werking hangt af van de warmtegeleiding van het materiaal, de vorm en het oppervlak, de omgevingstemperatuur en de lucht- of vloeistofstroming. Goed warmtebeheer ondersteunt de betrouwbaarheid en levensduur van elektronische en mechanische systemen.

Wat is ‘stralingskoeling’?

Stralingskoeling is een natuurlijk proces waarbij een object energie verliest door straling uit te zenden, bij aardse temperaturen meestal infraroodstraling. Het speelt een rol in de energiebalans van de aarde en kan in verschillende technieken worden benut.

De natuurkundige achtergrond omvat de volgende onderdelen:

Infraroodstraling: objecten zenden elektromagnetische straling uit waarvan spectrum en intensiteit afhangen van hun temperatuur. Bij gebruikelijke temperaturen aan het aardoppervlak is die straling vooral infrarood. Een object koelt af wanneer het meer energie verliest dan ontvangt, waarbij ook andere vormen van warmteoverdracht meetellen.

Uitstraling naar de ruimte: bepaalde infrarode golflengtebanden kunnen relatief goed door de atmosfeer, waaronder het venster van ongeveer 8 tot 13 micrometer. Een geschikt oppervlak kan daar warmte naar de ruimte uitstralen. Luchtvochtigheid, bewolking en andere buitenomstandigheden beïnvloeden de prestaties.

Koeling overdag en ’s nachts: zonder zon is een temperatuur onder die van de omgevingslucht gemakkelijker te bereiken. Overdag werkt opgenomen zonne-energie de koeling tegen. Een sterk reflecterend, goed ontworpen materiaal kan toch ook overdag stralingskoeling leveren, zoals dit onderzoek laat zien.

Verband met albedo: albedo beschrijft het teruggekaatste aandeel van de zonnestraling, niet alleen van zichtbaar licht. Een hoog albedo beperkt de opname van zonne-energie. Stralingskoeling betreft het uitzenden van warmtestraling. De eigenschappen vullen elkaar aan; een donker oppervlak kan infrarood uitstralen en toch warm blijven doordat het veel zonlicht absorbeert.

Toepassingen: stralingskoeling wordt onderzocht voor gebouwen, voertuigen en technische installaties. Afhankelijk van ontwerp en omstandigheden kan zij het elektriciteitsgebruik van airconditioning beperken of bestaande koelsystemen efficiënter maken.

Terugkaatsing van zonlicht en het uitzenden van infrarood zijn dus verschillende processen, die samen bijdragen aan de warmtebalans van natuurlijke en ontworpen oppervlakken.

Bedrijven die klimaatoplossingen ontwikkelen

De volgende beursgenoteerde bedrijven leveren energie- of mobiliteitstechnologie. Ze worden hier niet voorgesteld als fabrikanten van het koelglas uit dit onderzoek.

De tabellen behouden de historische cijfers uit het artikel van november 2023; het zijn geen geverifieerde actuele marktgegevens. Winst per aandeel kan de toenmalige aandelenstructuur weerspiegelen. Een negatieve koers-winstverhouding is geen bruikbare waarderingsmultiple voor een verlieslatend bedrijf. De ingebouwde grafieken en koersen kunnen wel recentere gegevens tonen.

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL Prijsgrafiek

FuelCell Energy (FCEL ) ontwikkelt, bouwt, exploiteert en onderhoudt brandstofcelcentrales. De elektrochemische omzetting kan het rendement verbeteren en bepaalde verontreinigende emissies beperken vergeleken met een vergelijkbare verbrandingstechniek. Installaties kunnen echter aardgas, biogas of andere brandstoffen gebruiken en zijn dus niet automatisch fossielvrij of CO₂-vrij. Het klimaateffect hangt af van brandstof, rendement en eventueel nuttig gebruik van restwarmte.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP Prijsgrafiek

Brookfield Renewable Partners (BEP ) exploiteert een grote portefeuille met waterkracht, wind, zon en opslag in Noord- en Zuid-Amerika, Europa en Azië. De participaties zijn ook in Toronto genoteerd (BEP.UN.TO ). Brookfield Renewable Corporation (BEPC ) is een afzonderlijke structuur met omwisselbare aandelen die een economisch vergelijkbare blootstelling aan de partnerschapsparticipaties beogen. Het zijn juridisch verschillende effectencategorieën. De groep richt zich op langetermijnwaarde uit haar hernieuwbare energieactiva.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT Prijsgrafiek

ChargePoint Holdings (CHPT ) levert laadapparatuur voor elektrische voertuigen, softwarediensten en ondersteuning. De oplossingen zijn onder meer bestemd voor woningen, bedrijven, wagenparken en openbare locaties. Door elektrisch rijden te vergemakkelijken kunnen ze het gebruik van oliebrandstoffen helpen verminderen. De uiteindelijke uitstoot hangt ook af van de elektriciteitsopwekking en de voertuigen.

Opmerkelijke bedrijven die stralingskoeling benutten

Het niet-beursgenoteerde CeraCool werkt aan praktische toepassing en opschaling van stralingskoeling. Het bedrijf is opgericht door onderzoekers achter het in deze studie gepresenteerde koelglas.

CeraCool  ontwikkelde verf die zonlicht terugkaatst en infraroodwarmte uitzendt. Het bedrijf presenteert deze als koeling zonder eigen elektriciteitsverbruik van de coating, door meer dan 95% van de zonnestraling terug te kaatsen en tegelijk warmte via het atmosferische venster naar de ruimte uit te stralen. Dat betekent niet dat de verf overal alle airconditioning kan vervangen. Volgens het bedrijf kan het product worden gespoten of geschilderd op oppervlakken die sterk opwarmen, zoals daken en bepaalde wegen.

SkyCool Systems is een ander niet-beursgenoteerd bedrijf dat aan stralingskoeling werkt.

SkyCool Systems ontwikkelt koeloplossingen met sterk reflecterende en infrarood uitstralende materialen. De panelen kunnen bijvoorbeeld de efficiëntie van dampcompressiekoeling verbeteren. Zulke technieken beogen energie- en milieuwinst, waarvan de omvang afhangt van de installatie en bedrijfsomstandigheden.

Slotgedachten

Klimaatinspanningen moeten ook inefficiënt energiegebruik aanpakken, naast het benutten van duurzame energiebronnen. Stralingskoeling kan daaraan bijdragen. In een TED-presentatie bespreekt Aaswath Raman de mogelijke terugkoppeling tussen hogere temperaturen, meer behoefte aan airconditioning en de bijbehorende uitstoot, en hoe stralingskoeling die kan helpen beperken.

In combinatie met andere ontwikkelingen, zoals micrometergrote fotovoltaïsche cellen met achtercontacten, kunnen initiatieven van bedrijven als CeraCool in de jaren na dit artikel voordelen opleveren. De uitkomst hangt af van opschaling en prestaties in de praktijk.